沥青路面材料的路用性能试验分析

2023-05-26黄娅

交通科技与管理 2023年9期

黄娅

摘要文章针对某普通国省干线的沥青路面工程，使用针入度、软化点、延度三大指标分析法，检测在改性沥青材料中掺入SBS和橡胶粉对其路用性能的影响。经检验，得出以下结论：（1）橡胶粉、SBS改性剂的最佳掺量分别为20%和4%，橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料的最佳油石比为6.13%；（2）同时掺入橡胶粉和SBS，能够有效提升路面结构的高温稳定性和低温抗裂性，比只掺入单一掺剂的效果更好。此外，SBS的具有更强的水稳定性，在SBS材料中掺入橡胶粉会削减其水稳定性效果。

关键词普通国省干线项目；沥青路面；橡胶粉； SBS沥青混合料；路用性能

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0096-03

0 引言

普通国省干线公路，常出现车辙、坑槽及裂缝等路面病害，影响路面结构的稳定性。该文针对某普通国省干线维修养护项目，分析了提升沥青路面路用性能的可靠办法，即在充分考察施工场地的基础上，使用铣刨复浇工艺，加铺改性沥青混合料面层。经检验，橡胶SBS复合改性沥青混合料，可以有效改善沥青路面结构的稳定性，提高行车效率。

1 工程概况

某沥青路面结构的普通国省干线，总长21.8 km，路面为双向四车道。改性沥青混凝土路面结构层为8 cm厚粗粒式铺设下面层，6 cm厚中粒式铺设中面层，4 cm厚细粒式铺设上面层。经过四年的运营，该普通国省干线面层出现了很多车辙和网状裂缝。经实地考察，这些路面病害尚未形成深度扩散，还可以通过铣刨方案，清除面层4～5 cm深度的病害层，并于基面加铺5 cm厚的细粒式改性沥青混合料。

2 选择原材料和沥青改性剂掺量

2.1 原材料

该工程中使用A级90号道路石油沥青作为基质沥青材料，并添加了源自高分子材料有限公司的60目橡胶粉和YH-791H线型SBS等高分子材料，集料采用玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰岩磨细矿粉填料。经过多次试验，所选的各材料均能满足公路设计目标，材质合理，性能可靠，具体技术指标符合规定要求[1]。

2.2 改性剂掺量的选择

利用三大指标分析法，分析沥青的针入度、软化点和延度情况，确定最合适的橡胶粉、SBS掺量标准。通过选取5%、10%、15%、20%、25%、30%的橡胶粉掺量进行检验，证明了对改性沥青性能产生不同的影响。图1为沥青混合料的性能试验检测情况[2]。

根据图1可以得出：增加橡胶粉掺量时，针入度会逐步降低，软化点随之增加，延度呈先增后减趋势。当橡胶粉掺量到达20%时，针入度、软化点会逐步趋向稳定，而延度会开始降低。因此，橡胶粉最佳掺量应为20%[3]。

选择20%的橡胶粉掺量，并添加SBS改性剂，分别测试1%、2%、3%、4%、5%、6%的SBS掺量对复合改性沥青性能的不同影响，图2是具体的试验情况。

根据图2得知：①若只掺入1%的SBS，与之前呈现的沥青性能效果变化不明显；②若持续增大SBS改性剂的掺量，会不断降低改性沥青的针入度；③当掺入SBS的量由1%增加至4%时，增幅较大，当掺入的SBS的量大于4%时，增幅变缓，延度以5%的SBS掺量值为界限，呈先增后减趋势。

综上，最佳的SBS掺量应在2%～4%范围内，为避免改性沥青的黏度过大，应使用旋转黏度试验，选取2%、3%、4%掺量的SBS复合改性沥青，在175 ℃的特定温度下，其黏度数值分别是1.85 Pa·s、2.12 Pa·s和2.33 Pa·s，且均符合設计目标。为提高沥青路面质量，改善其路用性能，应选择4%掺量值为最佳掺量[4]。

3 沥青混合料配合比设计

3.1 矿料级配

为改善沥青混合料的路用性能，应使用骨架密实结构型SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料，进行矿料级配，具体的级配情况如表1所示。

3.2 沥青的最佳用量

通过马歇尔试验对橡胶/SBS复合改性沥青混合料最佳油石比的确定。①分别选取5.0%、5.5%、6.0%、6.5%、7.0%的油石比试件，并进行标准养护，以获得各组试件体积指标；②检测各试件的稳定度、饱和度、矿料间隙率和空隙率等参数，以确定最佳油石比，并分析不同参数与油石比的关系[5]。具体如图3所示。

根据图3所示：当油石比在5.80%～6.46%范围内时，可以实现大于6 kN的稳定度、3%～5%的空隙率、高于15%的矿料间隙率和70%～85%的饱和度。经过科学计算，确定最佳的橡胶/SBS复合改性沥青油石比为6.13%。使用相同的办法，计算得出橡胶改性沥青、SBS改性沥青混合料的最佳油石比应分别为5.8%和5.2%[6]。

4 试验分析沥青路面的使用性能

4.1 高温稳定性

夏季高温天气较多，沥青混合料容易受热变软，出现不同程度的病害问题。车辙试验可用于评价橡胶/SBS复合改性沥青混合料的高温稳定性。其试验结果见图4。

根据图4可知：橡胶/SBS复合改性沥青混合料的动稳定度在60 ℃或70 ℃时最高，而橡胶或BS改性沥青的动稳定度在60 ℃或70 ℃时相对较低。当温度是60 ℃时，相较于单一掺量的橡胶粉改性沥青、SBS改性沥青的动稳定度，复合改性沥青混合料分别高出了23%和33%[7]。综上所述，橡胶和SBS对改善沥青混合料的高温稳定性都能产生积极作用。通过二者的复合使用，可进一步提高路面的高温抗车辙性能，实现更好的路面使用效果[8]。

4.2 低温抗裂性

工程建设中，由于冬季天气寒冷，空气温度过低，造成了一定的路面内部结构压力。为避免在使用过程中出现温缩裂缝病害，有效降低材料在使用中出现温缩应力过大的情况，工程采用了MTS万能材料试验机进行检验，设置了?10 ℃的外部温度、5 cm/min的加载频率，以测定橡胶/SBS复合改性沥青混合料试件的低温小梁弯曲情况，图5是250 mm×30 mm×35 mm尺寸的小梁试件的试验情况。

低温小梁弯曲试验结果

通过图5试验结果可知：相较于橡胶改性沥青、SBS改性沥青，其破坏应变值分别增大了45%和8.9%，而相比于单一的橡胶改性沥青或SBS改性沥青，劲度模量数值分别减少了30%和27%。由此可见，橡胶/SBS复合改性沥青混合料与单一改性剂的SBS或橡胶粉改性沥青相比，低温抗裂性能更好[9]。

4.3 水稳定性

当降水量过大时，雨水会通过路面空隙和裂缝向结构层渗透，形成动力水压。若路面行车压力过大，会造成水损害路面病害。为改善橡胶/SBS复合改性沥青混合料的水稳定性，应通过浸水马歇尔、冻融劈裂等试验，计算路面的残留稳定度数值，而确定冻融劈裂强度，图6是具体的试验情况。

根据图6可知：以上三种类型的沥青混合料在实际使用时，其残留稳定度、冻融劈裂强度等数值有着相似的变化规律，而SBS改性沥青、复合改性沥青和橡胶改性沥青对应的指标值依次降低。可见，SBS改善水稳定性的效果最好，橡胶粉次之[10]。在SBS改性沥青中掺入橡胶粉形成混合料，并不会提高其水稳定性。

5 结论

综上所述，该文针对某普通国省干线维修养护项目，通过室内试验评估掺入橡胶粉和SBS复合改性剂后的沥青混合料的使用效果和综合性能，并得出以下结论：

（1）常规试验能够确定橡胶粉和SBS改性剂掺量的最佳比例，分别为20%和4%。利用马歇尔试验，将橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料的各项体积数据控制在合理范围内，并得出6.13%的最佳油石比。

（2）SBS或橡胶粉沥青混合料抗高温性能好，能改善路面的高温稳定性，而橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料的高温抗车辙性能更好，综合效益更高。

（3）低温小梁弯曲试验表明，可通过橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料提高路面的低溫性能。

（4）通过浸水马歇尔和冻融劈裂试验测试其混合料的水稳定性，结果表明SBS改性剂的效果最好，橡胶粉次之，但需要注意二者的复合使用会降低混合料的水稳定性能。

参考文献